A Cosmologia de Ptolomeu. As bases do Geocentrismo

Conhecer com precisão a posição dos corpos celestes se revelou muito importante para a determinação do calendário e para a orientação em viagens. Isto certamente resultou num grande estimulo para a pesquisa no que hoje chamamos de Astronomia e na busca de um conhecimento que explicasse o comportamento destes corpos.. Próximo ao ano 150 Ptolomeu propôs uma maneira de como entender o movimento dos corpos celestes, baseada na Física de Aristóteles. Estas hipóteses sobrevivem durante muitos séculos e só começam a ser superadas por Copérnico em 1543. Muito deste conhecimento é considerado como uma formalização do senso comum, por isto e é importante entender as razões para o seu surgimento bem como a sua superação. 

Certamente há dezenas de lendas descrevendo o que seja nosso universo, e elas podem ser um belo ponto de partida para entender as razões da busca de uma explicação sobre o mesmo.  A Ciência também é interessante por que diz muito sobre nós e sobre o universo. Um dos temas presentes no ensino de ciências é a superação do geocentrismo, uma boa ideia talvez seja começar com uma destas lendas. Neste texto vou tentar mostrar como surge esta concepção. A fundamentação do geocentrismo surge, aproximadamente, no ano 150 de nossa era. Foi quando Ptolomeu publicou a sua obra mais conhecida, denominada A Grande Síntese, mais conhecida pelo título da tradução árabe Almagesto.  Nesta obra ele apresenta a sua Cosmologia, a lógica do cosmo, que foi considerado um dos livros mais importantes pelo debate que provocou durante mais de mil anos. Nele ele apresenta a teoria geocêntrica do Universo que, embora sob o olhar do conhecimento atual é inadequado, era consistente com muitas observações da época.

Entender as razões da hipótese geocêntrica nos ajuda a entender a construção do conhecimento científico e apreciar a importância das contribuições de Copérnico, Kepler, Galileu, Newton, entre outros para as grandes mudanças que acontecem no século XVII e que alteraram de forma radical a nossa visão sobre o universo. Este é um tema de pesquisa que continua sendo muito atual. Por exemplo, você pode ler no texto de título “Escrito nas estrelas” onde a Fundação Nobel explica as razões para a sua premiação para o Nobel de Física no ano de 2011. Entender a evolução do universo continua a motivar pesquisas como a descoberta de planetas noutras estrelas.

Podemos ter uma ideia sobre quais eram as concepções sobre a Terra e os demais corpos celestes utilizando produtos culturais de então. Um exemplo muito interessante é a mitologia grega e em especial Atlas. Veja as fotos esculturas deste titã em Santiago de Compostela e no Museu Arquelógico Nacional de Nápoles e compare com a concepção expressa por Ptolomeu. Veja esta concepção do que seria a Terra.

A invenção do espaço e do tempo.

Existem diversas perguntas feitas sobre os corpos celestes cujas respostas, mais rigorosas, só começaram a serem dadas no século XVII. Muitas perguntas foram motivadas observações e a razão para várias delas podemos perceber a olho nu. Talvez a mais simples delas seja a constatação de que os corpos celestes mudam o local onde se encontram o tempo todo. Se você observar com cuidado o Sol, a Lua, as estrelas ou os planetas, constatará que eles mudam de lugar o tempo todo. Para caracterizar esta mudança criou-se o conceito de movimento, que exige para ser entendido especificar o lugar, o espaço e o tempo. Assim, observando os astros podemos dizer que eles movimentam, na época de forma absoluta, e hoje em relação a nós. Percebido que existe este fenômeno, o movimento, vem outra questão: como é que explicamos o movimento dos corpos celestes? Que tipo de movimento cada um faz?

O movimento foi um conceito discutido muito antes de Ptolomeu. Afinal, na superfície da Terra nós vemos diversos movimentos. Observando o céu não é difícil perceber, por exemplo, que o Sol e a Lua executam movimentos bem diferentes. O Sol diariamente faz o seu movimento de leste para oeste, mas mudando levemente a posição do nascer o do por. A Lua se mostra cada dia do mês de forma distinta, as suas fases. E o que podemos dizer sobre as estrelas e os planetas, os demais milhares corpos celestes, o que ocorre com eles?

A Esfera Celeste.

Para nós, a olho nu, o movimento que quase todos os corpos celestes executam é muito simples. Você pode perceber isto fazendo uma experiência muito interessante utilizando uma máquina fotográfica. Ela deve ser feita a noite e num local que seja muito pouco iluminado. Coloque a máquina fotográfica num tripé, com a lente alinhada com o eixo norte-sul da Terra e fazendo um ângulo com a horizontal igual a sua latitude. Coloque a máquina no modo manual e inicie a exposição. Se o seu tempo de exposição for de quinze minutos você obterá uma foto semelhante a esta. Este é um fenômeno muito interessante e utilizado em livros de Astronomia e Astrofísica mostram uma foto bem semelhante. Se você não alinhar bem a sua máquina você obterá uma foto um pouco diferente como esta. O que estas fotos nos ensinam é que, para nós, os corpos celestes se movem quase todos juntos como se estivessem presos uns aos outros. Na época de Ptolomeu não havia máquina fotográfica, mas as noites raramente tinham iluminação, que não fosse da Lua ou poluição e assim, diversos povos puderam perceberam este curioso movimento dos astros. Por isso, eles foram durante muitos séculos a maneira mais precisa de se orientar a noite, pois este movimento determina a direção norte-sul como se fosse uma bússola.

Descobrindo os planetas.

Entretanto, alguns corpos celestes não se comportavam como se estivesse fixo aos demais. Á olho nu, eles são apenas sete objetos, o Sol, a Lua e cinco planetas Mercúrio, Vênus, Marte, Saturno e Júpiter. O Sol e a Lua se apresentam para nós muito maiores do que os demais. Assim, planeta, viajante, foi a denominação dada a estes objetos de tamanho semelhante e que apresentam um movimento em relação aos demais corpos celestes. Foi assim que se pode distinguir se um corpo celeste é uma estrela ou se é um planeta.

Você pode constatar esta característica observando o céu com regularidade quando poderá perceber que objetos que mudam o seu lugar em relação aos demais. Talvez de um dia para outro seja difícil de perceber esta mudança, mas após uma semana ou um mês a diferença será bem visível. Cada estrela mantém a mesma posição relativa todo o tempo, como o conjunto fosse um objeto rígido. Foi isto que levou a humanidade a chamar um conjunto delas de constelação dando nomes inspirados pelo seu formato no céu. Ao longo do ano, na mesma hora, o céu é levemente distinto a cada dia, mas após um ano tudo se repete, menos os planetas. Hoje existem portais que fornecem um mapa do céu para qualquer lugar que você esteja na Terra ou programa de computador (www.stellarium.org).

O movimento na Terra: o que sobe cai.

Outra observação muito curiosa que podemos fazer é que nenhum, ou melhor, quase nenhum dos objetos que vemos no céu cai sobre nós. De vez enquanto cai um meteorito sobre a Terra, mas a esmagadora maioria fica lá em cima. Entretanto, a nossa experiência no dia a dia nos mostra que os demais corpos que conhecemos, quando soltos ou jogados caem ou voltam. Por exemplo, os pássaros voam, mas num certo momento voltam. Provavelmente isto inspirou um ditado popular que diz: tudo o que sobe cai. Algumas pessoas chegam a dizer que isto é uma Lei da Física, mas não é. Hoje a humanidade aprendeu a fazer foguetes que partem da Terra e coloca instrumentos na Lua, em Marte, em Vênus e agora na Lua de Saturno e podem voltar ou não. Mas na época de Ptolomeu não se sabia fazer estes instrumentos, não se conhecia objetos que subiam e não caiam de volta na Terra!

As abóbadas de cristal.

Como Ptolomeu não sabia nada disto ele propôs uma explicação baseado no que se conhecia na época a Física de Aristóteles. Para explicar os diversos movimentos que podemos observar no céu ele imaginou que em volta da Terra nós teríamos oito abóbadas de cristal, cada uma delas com um raio distinto das demais, e que teriam a função de segurar os corpos celestes e evitar que eles caíssem sobre nós. Assim Mercúrio, Vênus, Marte, Júpiter e Saturno, cada um com um movimento distinto, somados a Lua e o Sol totalizam sete. A ordem escolhida indicava que eles já suspeitavam das distâncias: na primeira, a mais próxima, a Lua, na segunda Mercúrio, na terceira Vênus, na quarta o Sol, na quinta Marte, na sexta Júpiter, na sétima Saturno e na oitava os demais corpos celestes, as estrelas das fotos. O movimento rígido das estrelas no céu levou Ptolomeu a pensar que elas estavam todas fixas na mesma abóbada. Veja uma cópia da figura de Ptolomeu.

A Física de Aristóteles.

Esta explicação proposta por Ptolomeu é compatível com muitas observações que fazemos no dia a dia e também com a Física de Aristóteles. Este importante pensador da Grécia antiga escreveu diversos livros, um deles sobre a Física. O que dizia a Física de Aristóteles sobre o movimento? Postulava que havia dois tipos de movimento: o natural que ocorre sem resultado de uma ação deliberada e o forçado. Para Aristóteles para haver movimento teria que haver uma força. Um exemplo do movimento natural é soltar uma pedra e o do segundo lançar uma pedra. No primeiro você abandona o corpo e no segundo lança o corpo, exerce uma força. Para explicar o movimento Aristóteles postulou que tudo na Natureza era composto por quatro elementos básicos: terra, água, ar e o fogo. Postulou ainda que a natureza era organizada de tal maneira que cada um destes quatro elementos teriam um lugar natural, obedecendo a seguinte ordem: primeiro, abaixo de todos, a terra, em cima da terra a água, em cima da água o ar e em cima do ar o fogo. O movimento natural ocorre porque o corpo busca o seu lugar.

A explicação do movimento.

Por exemplo, se você pegar um objeto sólido com a sua mão levantá-lo e a seguir abandoná-lo ele cai no chão. A explicação para o objeto cair é que sendo ele feito da substância terra, não pode ficar parado no ar porque ai não é o seu lugar natural, teria ar sob ele e, portanto, move-se até o chão que é o seu lugar natural. É assim que esta teoria explica a queda dos corpos. Veja que isto também explica porque a Terra é redonda, todo material sendo terra tenderia a se agrupar para ficar em baixo de tudo. Uma das coisas mais curiosas desta teoria é como ela explica porque ao ferver a água sobe. O  aquecimento é feito com o elemento fogo e a água ganha este elemento. Ao receber o elemento fogo a água vai para o seu lugar natural, acima de todos. Vejam a quantidade de dados empíricos que são explicados por esta teoria e imaginem que isto era discutido em 350 AC.

As abóbadas e o éter.

Olhando para o céu, nós vemos milhares de corpos celestes. Observamos também que eles não caem sobre nós na Terra. Como base na explicação do movimento deve haver algo que segura eles lá em cima. Como nós não enxergamos nada além dos corpos celestes, o que segura eles deve então ser transparente como o vidro, então uma abóbada de cristal. Como já se tinha idéia que a distância da Terra para cada um dos planetas, Sol e a Lua, e eram todas distintas e os seus movimentos diferentes das estrelas, era necessário ter oito abóbadas de cristal. E o que existiria entre nós na Terra e as abóbadas de cristal? Deveria existir alguma coisa, um quinto elemento denominado éter, já que segundo o pensamento da época a natureza odeia o vácuo, o éter preencheria os espaços vazios. Não se imaginava que fosse possível haver um local sem matéria.

Isto é muito natural.

A hipótese de que há comportamento natural é um argumento que permanece até hoje na nossa linguagem. Vejam que é muito comum no nosso dia a dia ouvir pessoas que, ao explicarem os mais diversos fatos que ocorreram utilizando na sua argumentação que isto é natural, é natural que isto aconteça. Há uma música chamada de Desafinado (Newton Mendonça e Tom Jobim) que diz, de forma irônica,  “…isto é bossa-nova, isto é muito natural...”. Parece que usar o termo natural tem o poder de explicar muitas coisas.

Como esta teoria ruiu.

Observações astronômicas, cada vez mais precisas, foram as responsáveis pela superação desta teoria. Um exemplo de busca de informações mais precisas está presente no calendário através do tamanho do ano, uma informação essencial, pelas implicações práticas na periodicidade do clima. Isto motivou muitos avanços na pesquisa em Astronomia. Primeiro determina-se o ano em 365 dias, depois percebe-se a necessidade dos anos bissextos e Ptolomeu observou o ano era menor do que 365 dias e 1/4 de dia. Ptolomeu conclui que tinha que haver uma correção a regra dos anos bissextos e que somar um dia a cada quatro anos levaria a erros no futuro. Para se obter o valor do ano cada vez mais acurado era necessário medir com mais precisão a posição dos astros.

Os grandes responsáveis pela superação da Cosmologia de Ptolomeu foram os planetas. A distância de cada estrela até a Terra é muito grande e muito diferente, mas, na época eles não sabiam como medir. Assim, o que transparecia, era o movimento explicado por uma única abóbada como se todas as estrelas estivessem à mesma distância e caminhando juntas.  Já os planetas, por estarem mais perto, mostravam um movimento no céu que nunca foi completamente explicado apenas com as esferas e depois com curvas mais complexas. O fenômeno mais curioso era ocorrência de um movimento denominado de retrógrado. Em certas épocas observava-se que o planeta se movendo no sentido oposto. Este movimento era incompatível com o movimento da esfera. Ela teria que, durante algum tempo, girar de uma maneira diferente. Mercúrio e Vênus são os casos mais fáceis de observar. O movimento retrógado seria como se o Sol em alguns dias passasse a fazer o movimento oeste-leste. Se isto acontecesse com o Sol o mundo inteiro ficaria assustado, mas com Mercúrio e Venus não. Há uma evidência, relacionada à distância, a alteração do brilho de planetas, que também não era explicada. Vênus é o caso mais simples de observar, pois o seu brilho muda bastante com o tempo. Quando um objeto luminoso muda o seu brilho, uma das maneiras de explicar é pela alteração da sua distância em relação ao observador.

Copérnico.

O movimento retrógado e outras observações levaram  Copérnico, em 1543, publicar um livro chamado De Revolutionibus Orbium Coelestium.Nele Copérnico sugere que a explicação para entender o movimento dos planetas, era colocar o Sol no centro do Cosmo e não a Terra. Ou seja, um observador no Sol veria os planetas girariam em torno dele, não haveria movimento retrógado, que é visto da Terra por esta não estar no meio da roda. Por exemplo, no portal do JPL, sobre o Sistema Solar tem um simulador onde você pode mudar o dia e perceber o movimento dos planetas segundo diversos pontos de vista.

Entretanto, ao propor isto Copérnico cria outros problemas. Não é possível transpor as hipóteses de Ptolomeu colocando o Sol no centro e parado e manter a Física de Aristóteles. Pense no seguinte: agora com o Sol no centro e parado, no sentido de absoluto, a Terra teria que estar numa das abóbadas para não cair no Sol. Como explicar que os corpos continuem caindo sobre a Terra, se ela não é mais o centro do universo? Estando o Sol no centro e parado o objeto não deveria ir para lá então. a Terra deveria ter uma abóbada segurando, coisa que ninguém vê. Então, porque ela não cai sobre o Sol?  E estes não são os únicos problemas. Segundo Copérnico, a Lua continuava girando em torno da Terra, então porque ela não cai sobre ela? Em 1610, Galileu usando um telescópio descobre que o planeta Júpiter possuía quatro luas!  Veja o problema que esta descoberta trás, como pode haver um abóbada de cristal segurando Júpiter se existem quatro luas dando voltas nele? Não importando se Júpiter girasse me torno da Terra ou do Sol, as luas iriam quebrar a abóbada de cristal. Como explicar tudo isto?

Antes de Galileu, Kepler em 1609 comunica que medindo a distância entre Terra, Marte e o Sol e observa que a distância entre a Terra e Marte muda muito. Pela hipótese de Ptolomeu, deveria ser sempre a mesma. Também observa que a maneira mais simples de observar os planetas é a partir do Sol. E que vista do Sol o movimento de Marte é uma elipse, com o Sol num dos focos, não mais no centro.

Observem também que, a época destas descobertas coincide com o período onde as grandes navegações passam a ser feitas com muito mais freqüência. Para que elas pudessem ser feitas com mais segurança era essencial saber se orientar no meio do oceano. Por isso, a pesquisa Astronômica se tornava ainda mais importante. Não foi por acaso a Inglaterra criou em 1675 e tem até o hoje o cargo do Astrônomo Real. O rei Carlos II instruiu John Flamsteed primeiro astrônomo real, em se dedicar a refinar as tabelas de movimentos dos corpos celestes para aperfeiçoar a arte de navegar.

Galileu e Newton.

Como se inventou uma nova explicação para tudo isto? O início está numa descoberta muito importante, feita por Galileu. Ele descobriu que omovimento não é um absolutonão existe por si só. Ele é uma grandeza relativa, ou seja só existe quando referenciado a um outro objeto.  Assim, não era mais necessário haver um centro do universo para onde todos os objetos cairiam. Nem a Terra, nem o Sol é o centro do Universo e que a explicação da Física de Aristóteles para o movimento estava errada. Este erro estava ligada a outra concepção equivocada. Só existe movimento com força. Foi analisando o movimento dos projéteis que Galileu percebeu que pode haver movimento sem força.

Entretanto, o Sol é o melhor local para observar o movimento dos planetas, como entender? Por que as órbitas são elípticas? E ai surge a contribuição de Newton propondo leis que explicam o movimento. Por estas leis, isto ocorre, por causa de uma propriedade do Sol, a sua massa, que é muito maior do que todo o resto. O conceito de massa sequer entrava na explicação anterior. Newton também postulou a existência de uma ação a distância, que chamou de Força Gravitacional e com ela que ele explica a queda dos corpos, o lançamento dos corpos,  por que os planetas ficam nas suas órbitas ou porque a Lua não cai sobre nós. Este é o nascimento da Física como conhecemos hoje!

Assim, a nova começa muito mais modesta. Ela organiza apenas o sistema solar. Para este, a maneira mais simples de observar é do Sol. Um observador no Sol verá todos os planetas girando em torno dele. Entretanto, de qualquer outro planeta você observa o Sol e os planetas se movimentando. Infelizmente, muitos livros de ciências falam que o Sol está parado.

Estudar a Cosmologia de Ptolomeu é muito interessante, pois nos permite entender como se constrói um conjunto de hipóteses para explicar uma série de fenômenos, como novos resultados forçam o abandono destas hipóteses e o nascimento de uma nova teoria. Mostra como é importante fazer perguntas. Como professor, você vai se deparar com uma serie de concepções científicas pré-concebidas dos seus alunos. Muitas delas estão em desacordo com o conhecimento científico e, portanto, devem ser superadas. Aprender como se superou as hipóteses contidas na Cosmologia de Ptolomeu talvez lhe ajude na sua tarefa de estimular os seus alunos superar estas concepções científicas pré-concebidas.

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